JKU entwickelt in Kooperationsprojekt Knochenschrauben bei Kreuzbandrissen

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Pressemeldung der JKU Linz vom 08.11.2023

Egal ob beim Sport oder einfach bei einer unglücklichen Bewegung: Kreuzbandrisse kommen extrem häufig vor.

In einem Kooperationsprojekt mit der Firma surgebright und dem Bezirkskrankenhaus Schwaz in Tirol wurden an der Johannes Kepler Universität Linz neuartige Knochenschrauben entwickelt, die bald die bisher verwendeten Schrauben ersetzen sollen.

Die Kreuzbandrekonstruktion mit Interferenzschrauben ist eine weit verbreitete Operationsmethode. Normalerweise bestehen diese Schrauben aus Metall (vor allem Titan) oder bioresorbierbaren Materialien wie Kunststoff oder Keramik. In beiden Fällen handelt es sich um Fremdkörper, die Probleme bereiten können.

„Wir versorgen allein in unserem Krankenhaus jedes Jahr hunderte Patient*innen mit Kreuzbandrissen. Sehr weit verbreitet sind Schrauben aus Kunststoffen, die sich später auflösen sollen. Durch diesen Auflöseprozess bleiben oft große Defekte im Knochen, sogenannte Osteolysen, zurück. Reißt das Kreuzband dann erneut, stehen Patient*innen und Chirurg*innen vor schwer zu lösenden Problemen. Durch diese Knochendefekte hält das neue Kreuzband nicht mehr“, so Prim. Dr. Markus Reichkendler vom Bezirkskrankenhaus Schwaz. Eine Alternative: Schrauben aus Knochen, wie sie die Firma surgebright aus Lichtenberg (OÖ) anbietet.

Knochenmaterial wird in den Körper eingebaut

„Schrauben aus menschlichen Knochen werden von körpereigenen Knochenzellen besiedelt und in körpereigenen Knochen umgewandelt. Osteolysen sind damit Geschichte. Dieser Vorgang bei der sogenannten Shark-Screw konnte bereits in einigen Publikationen in internationalen Topp-Fachzeitschriften nachgewiesen werden“, erklärt Surgebright-Geschäftsführer Thomas Pastl. Um maximale Patient*innensicherheit gewährleisten zu können, werden die Knochenschrauben sterilisiert. „Diese österreichische Entwicklung ist ein großer Meilenstein für Chirurg*innen und Patient*innen und nicht zuletzt für das weltweite Gesundheitswesen“, so Pastl.

Dass Schrauben aus Knochen hervorragend funktionieren, ist längst bekannt und wird im klinischen Alltag jährlich tausendfach verwendet – allerdings gab es bislang keine Knochenschrauben, die technisch für Kreuzbandrisse geeignet waren. Sie waren entweder zu klein und hielten dem Drehmoment nicht stand oder waren so groß, dass der Schraubenkopf im Körper abgesägt werden musste.

Hier kam das Institut für Medizin- und Biomechatronik der JKU ins Spiel. „Wir haben das Problem gemeinsam erörtert und dann Schrauben mit einer speziellen Konstruktion entwickelt. Die Schrauben- und Gewindeform erlaubt es endlich, diese Schrauben auch zur Befestigung von Kreuzbandplastiken nach einem Kreuzbandriss zu verwenden“, so Institutsleiter Univ.-Prof. Dr. Werner Baumgartner. Notwendig waren dazu sowohl umfangreiche Berechnungen als auch zahlreiche praktische Experimente.

„Am Ende haben wir es geschafft – in den Tests hat sich die neue Schraube bestens bewährt“, freut sich DI Sebastian Lifka (Institut für Medizin- und Biomechatronik der JKU).

Klinische Studie geplant

Die neuen Schrauben sind somit speziell für die Behandlung von Kreuzbandrissen geeignet, sind für den Körper verträglicher und heilen schneller. Das neue Verfahren für die speziellen Schrauben wurde bereits im renommierten Fachmagazin „Bioengineering“ publiziert. Die bessere Wirksamkeit der Schrauben soll demnächst in einer klinischen Studie wissenschaftlich analysiert werden, um schon bald Patient*innen mit Kreuzbandriss zur Verfügung zu stehen.

Externer Link: www.jku.at

technologiewerte.de – MOOCblick November 2023

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Spannende Themen, herausragende Dozenten und flexible Lernmöglichkeiten tragen zum wachsenden Erfolg der Massively Open Online Courses (MOOCs) bei – offene, internetgestützte Kurse mit einer Vielzahl an Teilnehmern rund um den Globus.

Folgender Kurs – zu finden auf der MOOC-Plattform edX – sollte einen Blick wert sein:

Nature-based Urban Regeneration
Axel Timpe (RWTH Aachen University) et al.
Start: 29.11.2023 / Arbeitsaufwand: 30-36 Stunden

Externer Link: www.edx.org

Wechselwirkende Polaronen

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Medienmitteilung der Universität Innsbruck vom 27.10.2023

Physiker simulieren Wechselwirkung von Quasiteilchen in ultrakaltem Quantengas

Die komplexen Vorgänge in Festkörpern werden in der Physik oft mit Quasiteilchen beschrieben. In ultrakalten Quantengasen können diese Quasiteilchen nachgebaut und untersucht werden. Nun haben Innsbrucker Wissenschaftler um Rudolf Grimm erstmals im Experiment beobachten können, wie Fermi-Polaronen – eine spezielle Art von Quasiteilchen – untereinander wechselwirken können. Sie berichten darüber in der Fachzeitschrift Nature Physics.

Bewegt sich ein Elektron durch einen Festkörper, erzeugt es aufgrund seiner elektrischen Ladung in seiner Umgebung eine Polarisation. Der russische Physiker Lew Landau hat in seinen theoretischen Überlegungen die Beschreibung solcher Teilchen um deren Wechselwirkung mit der Umgebung erweitert und von Quasiteilchen gesprochen. Vor über zehn Jahren war es dem Team um Rudolf Grimm vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQQOI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) und dem Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck erstmals gelungen, solche Quasiteilchen in einem Quantengas sowohl bei attraktiver als auch repulsiver Wechselwirkung mit der Umgebung zu erzeugen. Dazu nutzen die Wissenschaftler ein ultrakaltes Quantengas aus Lithium- und Kaliumatomen in einer Vakuumkammer. Mit Hilfe von magnetischen Feldern kontrollieren sie die Wechselwirkungen zwischen den Teilchen und mit Hochfrequenzpulsen drängen sie die Kaliumatome in einen Zustand, in dem diese die sie umgebenden Lithiumatome anziehen oder abstoßen. So simulieren die Forscher einen komplexen Zustand, wie er im Festkörper durch ein freies Elektron erzeugt wird.

Einblicke in die Materie

Nun konnten die Wissenschaftler um Rudolf Grimm in dem Quantengas mehrere solche Quasiteilchen gleichzeitig erzeugen und deren Wechselwirkung untereinander beobachten. „In einer naiven Vorstellung würde man davon ausgehen, dass sich Polaronen immer anziehen, egal ob ihre Wechselwirkung mit der Umgebung attraktiv oder repulsiv ist“, sagt der Experimentalphysiker. „Dem ist aber nicht so. Attraktive Wechselwirkung sehen wir immer bei bosonischen Polaronen, repulsive Wechselwirkung bei fermionischen Polaronen. Hier spielt die Quantenstatistik eine entscheidende Rolle.“ Die Forscher konnten diese Verhaltensweise, die sich im Prinzip schon als Konsequenz aus Landaus Theorie ergibt, nun erstmals in einem Experiment nachweisen. Die theoretischen Berechnungen dafür haben Kollegen aus Mexiko, Spanien und Dänemark geleistet. „Für die Umsetzung im Labor war hohe Experimentierkunst gefordert“, erläutert Cosetta Baroni, die Erstautorin der Studie, „denn kleinste Abweichungen hätten die Messungen bereits verfälschen können.“

„Solche Untersuchungen liefern uns Einblicke in ganz grundsätzliche Mechanismen der Natur und bieten uns sehr gute Möglichkeiten, diese im Detail zu untersuchen“, zeigt sich ERC- und Wittgenstein-Preisträger Rudolf Grimm begeistert. Die Ergebnisse wurden nun in der Fachzeitschrift Nature Physics veröffentlicht. Finanziell gefördert wurde die Forschung von der Europäischen Union.

Originalpublikation:
Mediated interactions between Fermi polarons and the role of impurity quantum statistics. Cosetta Baroni, Bo Huang, Isabella Fritsche, Erich Dobler, Gregor Anich, Emil Kirilov, Rudolf Grimm, Miguel A. Bastarrachea-Magnani, Pietro Massignan, Georg Bruun. Nature Physics 2023

Externer Link: www.uibk.ac.at

Grüner Wasserstoff aus Solarenergie

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Pressemitteilung der Universität Tübingen vom 04.10.2023

Forschungsteam der Universität Tübingen entwickelt neuartige Solarzelle, die dezentrale Herstellung von Grünem Wasserstoff mit sehr hohem Wirkungsgrad ermöglicht

Weltweit arbeiten Forschende an effizienteren Methoden zur Wasserstoffproduktion. Wasserstoff könnte entscheidend dazu beitragen, den Verbrauch fossiler Rohstoffe zu reduzieren, vor allem, wenn er mit erneuerbaren Energien hergestellt wird. Bereits existierende Technologien zur Herstellung von klimaneutralem Wasserstoff sind für eine breitere Anwendung noch zu ineffizient oder zu teuer. Ein Forschungsteam der Universität Tübingen präsentiert nun die Entwicklung einer neuartigen Solarzelle mit bemerkenswert hohem Wirkungsgrad. Sie ermöglicht eine dezentrale Herstellung von grünem Wasserstoff und hat das Potenzial für Anwendungen im industriellen Maßstab. Die Ergebnisse wurden kürzlich im Fachmagazin Cell Reports Physical Science veröffentlicht.

Eine Solarzelle auf Tauchgang

Wird Wasserstoff über die sogenannte Elektrolyse mit erneuerbaren Energien aus Wasser hergestellt, bezeichnet man ihn wegen der klimafreundlichen Herstellung als grünen Wasserstoff. Bei der solaren Wasserspaltung, häufig auch als künstliche Photosynthese bezeichnet, wird Wasserstoff mit Energie aus der Sonne hergestellt. Ein Forschungsteam um Dr. Matthias May vom Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Universität Tübingen hat eine Solarzelle entwickelt, die integraler Bestandteil der photoelektrochemischen Apparatur ist und direkt mit den Katalysatoren für die Wasserspaltung zusammenarbeitet. Das Besondere der Tübinger Entwicklung: Ein zusätzlicher externer Stromkreis, wie etwa bei einem Photovoltaik-Solarpanel, ist nicht mehr nötig.

Dieser innovative Ansatz macht die Technologie kompakter, flexibler und potenziell kosteneffizienter. Aber mit diesem Aufbau werden auch die Anforderungen an die Solarzelle größer. „Unter Forschenden auf dem Gebiet ist die Realisierung von stabiler und effizienter photoelektrochemischer oder direkter Wasserspaltung so etwas wie der ‚heilige Gral`“, sagt May.

Das Besondere am Aufbau der Solarzelle ist die hohe Kontrolle der Grenzflächen zwischen den verschiedenen Materialien. Die Oberflächenstrukturen werden hier auf einer Skala von wenigen Nanometern, also millionstel Millimetern, hergestellt und überprüft. Besonders schwierig sind kleine Kristalldefekte, die beispielsweise beim Wachstum der Solarzellenschichten entstehen. Diese verändern auch die elektronische Struktur und können damit einerseits die Effizienz und andererseits die Stabilität des Systems senken.

May ergänzt: „Insgesamt bleibt die Korrosion und somit die Langzeitstabilität der sich im Wasser befindenden Solarzelle aber die größte Herausforderung. Hier haben wir nun große Fortschritte im Vergleich zu unseren früheren Arbeiten gemacht.“

Der technische Aufbau der neuen Zelle ist innovativ und besonders wirkungsvoll zugleich. Die Effizienz der solaren Wasserspaltung wird in Form des Wirkungsgrades gemessen. Der Wirkungsgrad zeigt dabei an, wie viel Prozent der Energie des Sonnenlichts in nutzbare Energie des Wasserstoffs (Heizwert) umgewandelt werden kann. Mit einem Wirkungsgrad von 18% präsentiert das Forschungsteam den zweithöchsten je gemessenen Wert für die direkte solare Wasserspaltung und sogar einen Weltrekord, wenn man die Fläche der Solarzelle berücksichtigt. Die ersten etwas höheren Wirkungsgrade für die Solare Wasserspaltung wurden 1998 mit 12% vom NREL in den USA präsentiert. Erst 2015 folgte der Sprung auf 14% (May et al.) und 2018 auf 19% (Cheng et al.).

Anwendung in großem Maßstab denkbar

Dass die Technologie kommerzialisierbar ist, zeigen inzwischen mehrere Ausgründungen an anderen Universitäten mit deutlich geringeren Effizienzen. Erica Schmitt, Erstautorin der Studie, erklärt: „Was wir hier entwickelt haben, ist eine Technologie der solaren Wasserstofferzeugung, die keine leistungsstarke Anbindung an das Elektrizitätsnetz erfordert. Dadurch sind auch dauerhafte kleinere Insellösungen zur Energieversorgung denkbar.“

Die Tübinger Arbeiten sind eingebettet in das vom BMBF geförderte Verbundprojekt H2Demo, an dem unter anderem das Fraunhofer Institut für Solare Energiesystem (ISE) beteiligt ist. Die nächsten Schritte umfassen die Verbesserung der Langzeitstabilität, den Transfer auf ein kostengünstigeres Materialsystem auf Siliziumbasis und die Skalierung auf größere Flächen. Die Forschungsergebnisse könnten einen bedeutenden Beitrag zur Energieversorgung und zur Reduzierung von CO2-Emissionen leisten.

Originalpublikation:
Schmitt EA, Guidat M, Nusshör M, Renz A-L, Möller K, Flieg M, Lörch D, Kölbach M & May, MM. (2023). Photoelectrochemical Schlenk cell functionalization of multi-junction water-splitting photoe-lectrodes. Cell Reports Physical Science 4 (2023), 101606.

Externer Link: www.uni-tuebingen.de